CN110989213A - 一种超小型光子晶体调制器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及调制器技术领域，提供了一种超小型光子晶体调制器及其制作方法。方法包括N型中间掺杂区502置于N型重掺区501和N型轻掺杂区503之间；P型中间掺杂区602置于P型重掺区603和P型轻掺杂区601之间；N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601相接触，形成PN结；所述光子晶体波导4由宽度渐变的高折射率材料块排列在所述N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601的交接线上。本发明提供的超小型光子晶体调制器能够将入射光波限制在很小的范围内，从而提高光波与载流子的相互作用，提高调制器的调制效率；而且，该光子晶体调制器的结构尺寸很小，可以提高器件的集成度，降低制备成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及调制器术领域，特别是涉及一种超小型光子晶体调制器及其制作方法。
【背景技术】
在光通信系统中，电光调制器是一种关键器件。目前商用的电光调制器一般有三种：基于铌酸锂的电光调制器、基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光调制器和硅基电光调制器。但是传统的铌酸锂调制器调制效率较低，器件结构很大；基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光调制器的制作成本很高。而硅基调制器则可以与目前已经成熟的CMOS工艺相兼容，因此可以大规模加工制备，降低器件的制备成本。
由于纯净的单晶硅是一种中心反演对称的晶体，所以硅单晶不存在线性电光效应(Pockels效应)，而硅的二阶电光效应(Kerr效应)和弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldish)效应也极其微弱；即使施加105V/cm的电场，产生的折射率改变仍小于10-5，利用Kerr效应和Franz-Keldish效应来实现电光调制并不现实。因此，在硅材料中，最有效的电光效应就是等离子体色散效应。目前，商用的硅基电光调制器主要是通过等离子体色散效应实现的。
目前，由于耗尽型等离子体色散效应调制器的调制效率很低，为了达到理想的调制深度，需要把调制器设计的很长，长度一般为几个毫米，从而导致器件的结构尺寸很大，难以进一步提高器件的集成度，从而增加器件的制备成本。鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明实施例要解决的技术问题是由于耗尽型等离子体色散效应调制器的调制效率很低，为了达到理想的调制深度，需要把调制器设计的很长，长度一般为几个毫米，从而导致器件的结构尺寸很大，难以进一步提高器件的集成度，从而增加器件的制备成本。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种超小型光子晶体调制器，所述光子晶体调制器包括：
硅基底1、二氧化硅衬底层2、硅平板波导3、置于硅平板波导3上的宽度渐变的多个高折射率材料块组成的光子晶体波导4、在硅平板波导3上掺杂形成的N型重掺区501、N型中间掺杂区502、N型轻掺杂区503和P型重掺区603、P型中间掺杂区602、P型轻掺杂区601、和平行于光子晶体波导4的第一电极701和第二电极702；
其中N型中间掺杂区502置于N型重掺区501和N型轻掺杂区503之间；P型中间掺杂区602置于P型重掺区603和P型轻掺杂区601之间；N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601相接触，形成PN结；所述光子晶体波导4由宽度渐变的多个高折射率材料块排列在所述N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601的交接线上；
其中第一电极701与N型重掺区501之间形成欧姆接触；第二电极702与P型重掺区603之间形成欧姆接触。
优选的，所述硅平板波导3的厚度为50nm-100nm。
优选的，所述光子晶体波导4的厚度为100nm-300nm，高折射率材料块的数量30-50；各高折射率材料块间隙包括100nm-200nm。
优选的，光子晶体波导4的材料包括硅、氮化硅和/或铌酸锂。
优选的，当所述光子晶体波导4的材料为硅时，对所述光子晶体波导4进行掺杂，形成光子晶体波导4内的PN结，从而提高所述超小型光子晶体调制器的调制效率。
优选的，高掺杂浓度N型区501和高掺杂浓度P型区603的掺杂浓度在1019-1021cm-3之间；
中等掺杂浓度N型区502和中等掺杂浓度P型区602的掺杂浓度在1018-1019cm-3之间；
低掺杂浓度N型区503和低掺杂浓度P型区601的掺杂浓度在1017-1018cm-3之间。
优选的，低掺杂浓度N型区503和低掺杂浓度P型区601的交界面成插指型分布，所述插指型分布的边界为周期性矩形、周期性梯形、正弦曲线形、周期性三角型图形。
第二方面，本发明还提供了一种超小型光子晶体调制器的制作方法，用于加工制作第一方面所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层、硅平板波导和光子晶体层，方法包括：
在厚度为硅平板波导和光子晶体层的总厚度的硅层上分别通过掩膜工艺掺杂，形成N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
使用刻蚀工艺对硅层刻蚀，制备得到光子晶体波导。
第三方面，本发明还提供了一种超小型光子晶体调制器的制作方法，用于加工制作如第一方面所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层和硅平板波导，方法包括：
硅平板波导上指定区域，分别掺杂N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
在硅平板上沉积生长一层高折射率材料；然后使用刻蚀工艺对高折射率材料刻蚀，制备得到光子晶体波导。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明提供的超小型光子晶体调制器能够将入射光波限制在很小的范围内，从而提高光波与载流子的相互作用，提高调制器的调制效率；而且，该光子晶体调制器的结构尺寸很小，可以提高器件的集成度，降低制备成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种超小型光子晶体调制器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构中间隙位置示意图；
图4是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构中激光信号光斑位置示意图；
图5是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构中低掺杂N型波导和低掺杂P型波导交界面示意图；
图6是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构中低掺杂N型波导和低掺杂P型波导交界面示意图；
图7是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器结构中低掺杂N型波导和低掺杂P型波导交界面示意图；
图8是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器中光晶体波导阵列结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种超小型光子晶体调制器中光晶体波导阵列的模场分布示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种超小型光子晶体调制器，如图1和图2所示，所述光子晶体调制器包括：
硅基底1、二氧化硅衬底层2、硅平板波导3置于硅平板波导3上的宽度渐变的多个高折射率材料块(如图3所示的，相应高折射率材料块分别被标识为4-1、4-2、4-3、4-4和4-5)组成的光子晶体波导4(可参考图8，其为仅从光子晶体波导4角度观察的俯视角度结构示意图，其呈现了二次函数的宽度变化特性)、在硅平板波导3上掺杂形成的N型重掺区501、N型中间掺杂区502、N型轻掺杂区503和P型重掺区603、P型中间掺杂区602、P型轻掺杂区601、和平行于光子晶体波导4的第一电极701和第二电极702；
其中N型中间掺杂区502置于N型重掺区501和N型轻掺杂区503之间；P型中间掺杂区602置于P型重掺区603和P型轻掺杂区601之间；N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601相接触，形成PN结；所述宽度渐变的多个高折射率材料块排列在所述N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601的交接线上；其中，优选的是所述宽度渐变的多个光子晶体波导4中的每一个高折射率材料块的宽度(此处描述宽度是相对于光传播方向的垂直方向而言)使得相应高折射率材料块的边界不会超出所述N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601的另外两个边界(相对于交界面而言)。
其中第一电极701与N型重掺区501之间形成欧姆接触；第二电极702与P型重掺区603之间形成欧姆接触。
本发明实施例提供的超小型光子晶体调制器能够将入射光波限制在很小的范围内，从而提高光波与载流子的相互作用，提高调制器的调制效率；而且，该光子晶体调制器的结构尺寸很小，可以提高器件的集成度，降低制备成本。在本发明实施例中，所述硅平板波导3的厚度通常设定为50nm-100nm。而所述光子晶体波导4的厚度为100nm-300nm，高折射率材料块的数量30-50(如图3所示，为示意性的呈现了5个高折射率材料块，在图中分别被标注为4-1、4-2、4-3、4-4和4-5，其中，数量上变多会对光限制作用强一些，激光信号通过光子晶体4的时间会长一些，调制力度也会强一些)；各高折射率材料块间隙d包括100nm-200nm，相应的间隙d可参考图3中所标识的关系。光子晶体折射率和平板折射率与所述间隙之间存在相互影响的关系，在保证相同调制特性的情况下，任一折射率的增大都会带来间隙减小；在本发明实施例中，各光子晶体4是通过等间隙周期分布；另外，除了上述光子晶体折射率和平板折射率会影响光子晶体间隙设置外，传播方向的光子晶体长度变大，相应间隙也会变小；进一步的，光子晶体折射率和平板厚度有关，任一增大都可以带来间隙减小；光子晶体自身的折射率也与间隙设定有关，折射率增大则相应间隙的设定值会减小。具体参数则根据实际要满足的调制需求进行配置，而相应的配置关系则可以参考上述理论分析进行实现。
在具体使用过程中，激光信号光斑大小通常为椭圆形，而相应椭圆形小于300nm×500nm的矩形区域。在与本发明实施例所提出的调制器进行耦合的时候，需要相应的激光信号光斑分别部分的照射在硅平板波导3和光子晶体波导4上，如图4所示，激光信号光斑8的照射区域部分覆盖所述N型轻掺杂区503和P型轻掺杂区601，以及光子晶体波导4。
在本发明实施例中，光子晶体波导4的材料包括硅、氮化硅和/或铌酸锂。并且，基于不同的材料选择，本发明实施例还给予了两种可选的实现方式：
方式一、当所述光子晶体波导4的材料为硅时，如图1所示，对所述光子晶体波导4进行掺杂，形成光子晶体波导4内的PN结，从而提高所述超小型光子晶体调制器的调制效率。
方式二、当所述光子晶体波导4的材料铌酸锂时，如图2所示，无需进掺杂处理，而相应的制作方法也将通过实施例3具体阐述。
对比方式一和方式二两种结构，光子晶体材料为硅的光子晶体调制器结构因为光子晶体波导上有掺杂，调制效率更高，但是损耗也会增加；而作为方式二，其调制效率相比较方式一有所下降，但是损耗也相应的下降了。
在本发明实施例中，可选的，高掺杂浓度N型区(501)和高掺杂浓度P型区(603)的掺杂浓度在1019-1021cm-3之间；中等掺杂浓度N型区(502)和中等掺杂浓度P型区(602)的掺杂浓度在1018-1019cm-3之间；低掺杂浓度N型区(503)和低掺杂浓度P型区(601)的掺杂浓度在1017-1018cm-3之间。
如图5-图7所示，低掺杂浓度N型区(503)和低掺杂浓度P型区(601)的交界面成插指型分布，所述插指型分布的边界为周期性矩形、周期性梯形、正弦曲线形、周期性三角型图形。插指型分布PN结可以增加光场与PN结区的交叠，提高调制器的调节效率。
实施例2：
本发明实施例提出了一种超小型光子晶体调制器的制作方法，用于加工制作实施例1所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层、硅平板波导和光子晶体层，方法包括：
在厚度为硅平板波导和光子晶体层的总厚度的硅层上分别通过掩膜工艺掺杂，形成N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
使用刻蚀工艺对硅层刻蚀，制备得到光子晶体波导。
实施例3：
本发明实施例提出了一种超小型光子晶体调制器的制作方法，用于加工制作实施例1所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层和硅平板波导，方法包括：
硅平板波导上指定区域，分别掺杂N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
在硅平板上沉积生长一层高折射率材料；然后使用刻蚀工艺对高折射率材料刻蚀，制备得到光子晶体波导。
实施例4：
如图8所示，基于光子晶体波导色散效应，当入射光波进入光子晶体后(到达光子晶体的中心之前)，光波的群折射率会受到光子晶体的影响而逐渐增加，因此光波的传播速度会逐渐降低；当光波到达光子晶体的中心时，其群折射率达到最大，传播速度也会降到最低；之后，光波的群折射率逐渐减小，传播速度逐渐增加直至光波从光子晶体出射。从而使得入射光波限制在长度仅为几微米到十几微米的光子晶体中(其模场分布如图9所示)。因为光波在光子晶体中的传播速度较低，相比于同样长度的波导，光波经过同样长度光子晶体的所需要的时间更长，也就是增加了光波与掺杂区的作用时间，提高了调制效率，其结果就是光子晶体可以在几微米到十几微米的长度范围内实现普通波导在几百微米甚至几毫米的长度才能实现的调制效果，因此可以得到超小型的调制器。
值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超小型光子晶体调制器，其特征在于，所述光子晶体调制器包括：
硅基底(1)、二氧化硅衬底层(2)、硅平板波导(3)、置于硅平板波导(3)上的宽度渐变的多个高折射率材料块组成的光子晶体波导(4)、在硅平板波导(3)上掺杂形成的N型重掺区(501)、N型中间掺杂区(502)、N型轻掺杂区(503)和P型重掺区(603)、P型中间掺杂区(602)、P型轻掺杂区(601)、和平行于光子晶体波导(4)的第一电极(701)和第二电极(702)；
其中N型中间掺杂区(502)置于N型重掺区(501)和N型轻掺杂区(503)之间；P型中间掺杂区(602)置于P型重掺区(603)和P型轻掺杂区(601)之间；N型轻掺杂区(503)和P型轻掺杂区(601)相接触，形成PN结；所述光子晶体波导(4)由宽度渐变的多个高折射率材料块排列在所述N型轻掺杂区(503)和P型轻掺杂区(601)的交接线上；
其中第一电极(701)与N型重掺区(501)之间形成欧姆接触；第二电极(702)与P型重掺区(603)之间形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于，所述硅平板波导(3)的厚度为50nm-100nm。
3.根据权利要求1所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于，所述光子晶体波导(4)的厚度为100nm-300nm，高折射率材料块的数量为30-50；各高折射率材料块的间隙为100nm-200nm。
4.根据权利要求3所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于，光子晶体波导(4)的材料包括硅、氮化硅和/或铌酸锂。
5.根据权利要求4所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于，当所述光子晶体波导(4)的材料为硅时，对所述光子晶体波导(4)进行掺杂，形成光子晶体波导(4)内的PN结，从而提高所述超小型光子晶体调制器的调制效率。
6.根据权利要求1-5任一所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于：
高掺杂浓度N型区(501)和高掺杂浓度P型区(603)的掺杂浓度在1019-1021cm-3之间；
中等掺杂浓度N型区(502)和中等掺杂浓度P型区(602)的掺杂浓度在1018-1019cm-3之间；
低掺杂浓度N型区(503)和低掺杂浓度P型区(601)的掺杂浓度在1017-1018cm-3之间。
7.根据权利要求1-5任一所述的超小型光子晶体调制器，其特征在于：低掺杂浓度N型区(503)和低掺杂浓度P型区(601)的交界面成插指型分布，所述插指型分布的边界为周期性矩形、周期性梯形、正弦曲线形、周期性三角型图形。
8.一种超小型光子晶体调制器的制作方法，其特征在于，用于加工制作如权利要求1-7任一所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层、硅平板波导和光子晶体层，方法包括：
在厚度为硅平板波导和光子晶体层的总厚度的硅层上分别通过掩膜工艺掺杂，形成N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
使用刻蚀工艺对硅层刻蚀，制备得到光子晶体波导。
9.一种超小型光子晶体调制器的制作方法，其特征在于，用于加工制作如权利要求1-7任一所述的超小型光子晶体调制器，在硅基底上通过沉积工艺制作生成二氧化硅衬底层和硅平板波导，方法包括：
硅平板波导上指定区域，分别掺杂N型重掺区、N型中间掺杂区、N型轻掺杂区、P型重掺区、P型中间掺杂区和P型轻掺杂区；
在硅平板上沉积生长一层高折射率材料；然后使用刻蚀工艺对高折射率材料刻蚀，制备得到光子晶体波导。
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